JP5718934B2

JP5718934B2 - Method for estimating light scattering

Info

Publication number: JP5718934B2
Application number: JP2012540364A
Authority: JP
Inventors: ゴートロンパスカル; マービージャン−ユード; デラランドレシリル
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: FR2948801A1; EP2504816A1; US8508733B2; KR20120086739A; US20120229806A1; WO2011064132A1; EP2504816B1; JP2013511785A

Description

本発明は、シンセシス画像合成（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｍａｇｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）の分野に関し、より具体的には、異種成分からなる関与媒質中の光散乱シミュレーションの分野に関する。また本発明は、ライブ（ｌｉｖｅ）合成のための特別な効果に関して理解される。 The present invention relates to the field of synthesis image composition, and more specifically to the field of light scattering simulations in participating media composed of different components. The invention is also understood with respect to special effects for live synthesis.

先行技術によれば、例えば、霧、煙、塵または雲などの関与媒質中の光の散乱をシミュレーションするために、様々な方法が存在する。関与媒質は、特にトラジェクトリ（ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）および強度を変更する光と相互作用する浮遊状態の粒子から構成される媒質に対応する。 According to the prior art, there are various methods for simulating the scattering of light in a participating medium such as fog, smoke, dust or clouds. Participating media correspond in particular to media composed of suspended particles interacting with the trajectory and light changing intensity.

関与媒質を、２つのグループ、すなわち、水などの均質な媒質および煙または雲などの異種成分からなる媒質に分類することができる。均質な媒質のケースでは、光源によって送出された光の減衰を解析的に計算することが可能である。事実、それ自体の均質な性質のために、これらの媒質は、媒質の任意の点において一定である光吸収係数または光散乱係数などのパラメータを有する。逆に、光吸収特性および光散乱特性は、異種成分からなる関与媒質中では点ごとに変化する。かかる異種成分からなる媒質中での光の散乱をシミュレーションするために要求される計算は、非常に費用がかかるものであり、異種成分からなる関与媒質によって散乱される光の量を解析的にライブで計算することはしたがって不可能である。それに加えて、媒質によって散乱される光の量を散乱しない媒質は、光の散乱方向、換言すると、人が媒質を見る方向にしたがってやはり変化する。媒質の実際的なディスプレイを得るために、散乱される光の量を推定する計算を、人間による媒質の各観察方向について繰り返さなければならない。 The participating media can be classified into two groups: homogeneous media such as water and media consisting of different components such as smoke or clouds. In the case of a homogeneous medium, it is possible to analytically calculate the attenuation of light transmitted by the light source. In fact, due to its homogeneous nature, these media have parameters such as light absorption coefficient or light scattering coefficient that are constant at any point of the medium. On the contrary, the light absorption characteristics and the light scattering characteristics change for each point in the participating medium composed of different components. The calculations required to simulate the scattering of light in a medium composed of such different components are very expensive, and the amount of light scattered by the participating medium composed of different components can be analyzed live. It is therefore impossible to calculate with In addition, a medium that does not scatter the amount of light scattered by the medium also changes according to the direction of light scattering, in other words, the direction in which a person views the medium. In order to obtain a practical display of the medium, the calculation for estimating the amount of scattered light must be repeated for each viewing direction of the medium by the human.

異種成分からなる関与媒質のライブディスプレイを生成するために、ある方法は、異種成分からなる関与媒質を表すいくつかのパラメータの事前計算を実行する。これらの方法は、例えば、ポストポロダクション（ｐｏｓｔ−ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）におけるスタジオ使用のために完璧に適合しており、良い品質のディスプレイをもたらしうるが、ライブ会話型概念の状況および異種成分からなる関与媒質の合成には、これらの方法は適合していない。当業者に良く知られているレイマーチングアルゴリズム法（例えば、非特許文献１に記載されている）などの他の方法は、光の散乱方向および／または透過方向にしたがって異種成分からなる関与媒質をサンプリングするものであり、媒質の多数の点（点の数はサンプリングの精度に依存する）における光の減衰を推定する。かかるサンプリングは、特にサンプリングが非常に細かいときならびに／またはサンプリングした媒質が複雑であるおよび／もしくは広範囲に及ぶときには、計算に非常に費用がかかる。 In order to generate a live display of participating media consisting of different components, a method performs a pre-calculation of several parameters representing the participating media consisting of different components. These methods, for example, are perfectly adapted for studio use in post-production and can result in a good quality display, but the context of the live conversational concept and the involved medium consisting of heterogeneous components These methods are not suitable for the synthesis of Other methods such as ray marching algorithm methods well known to those skilled in the art (for example, described in Non-Patent Document 1) can be used to determine the participating medium consisting of dissimilar components according to the direction of light scattering and / or transmission. Sampling and estimating light attenuation at a number of points in the medium (the number of points depends on the accuracy of the sampling). Such sampling is very expensive to calculate, especially when the sampling is very fine and / or when the sampled medium is complex and / or extensive.

対話型シミュレーションゲームおよびアプリケーションの出現で、特に、３次元（３Ｄ）では、異種成分からなる関与媒質の実際的なディスプレイを提供するライブシミュレーション方法に対して、必要性が感じられている。 With the advent of interactive simulation games and applications, especially in three dimensions (3D), there is a need for a live simulation method that provides a practical display of participating media composed of different components.

S. Chandrasekhar, "Radiative Transfer Equation", 1960, Dover PublicationsS. Chandrasekhar, "Radiative Transfer Equation", 1960, Dover Publications

本発明の目的は、先行技術のこれらの欠点のうちの少なくとも１つを克服することである。 The object of the present invention is to overcome at least one of these drawbacks of the prior art.

さらに具体的に本発明の目的は、異種成分からなる関与媒質中の光の散乱の実際的なディスプレイを合成するために必要な計算時間を特に最適化することである。 More specifically, it is an object of the present invention to specifically optimize the computation time required to synthesize a practical display of light scattering in a participating medium composed of different components.

本発明は、異種成分からなる関与媒質によって散乱された光の量を推定するための方法に関係し、本方法は、２つの連続する階層のレベルの間で少なくとも１つの方向にしたがって、媒質中の減衰差を表す誤差情報の少なくとも１つの項目にしたがって空間細分割（ｓｐａｔｉａｌｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ）の複数の階層のレベルの中から媒質の空間細分割の少なくとも１つのレベルを選択するステップと、少なくとも１つの散乱方向に沿った前記媒質のサンプリングによって散乱された光の量を推定するステップであって、サンプリングは少なくとも１つの選択した空間細分割レベルに依存する推定するステップとを含む。 The present invention relates to a method for estimating the amount of light scattered by a participating medium consisting of heterogeneous components, the method being in the medium according to at least one direction between two successive hierarchical levels. Selecting at least one level of spatial subdivision of the medium from a plurality of levels of spatial subdivision according to at least one item of error information representing an attenuation difference of the medium, and at least one scattering Estimating the amount of light scattered by sampling the medium along a direction, the sampling comprising estimating at least one selected spatial subdivision level.

有利には、本方法は前記少なくとも１つの散乱方向に沿った位置にある媒質の少なくとも１つの点によって散乱された光の減衰を表す少なくとも第１の値を推定するステップを含む。 Advantageously, the method comprises estimating at least a first value representative of the attenuation of light scattered by at least one point of the medium located along the at least one scattering direction.

特定の特徴によれば、本方法は、少なくとも１つの散乱方向に沿った位置にある少なくとも１つの点において光の少なくとも１つの放出方向にしたがって少なくとも１つの光源から受け取った光の減衰を表す少なくとも第２の値を推定するステップを含む。 According to a particular feature, the method comprises at least a first representing attenuation of light received from at least one light source according to at least one emission direction of light at at least one point located along at least one scattering direction. Including estimating a value of two.

都合の良いことに、誤差情報の少なくとも１つの項目は、２つの第１の値の比較によって決定され、２つの第１の値は、媒質の２つの連続する階層の空間細分割レベルに対してそれぞれ推定される。 Conveniently, at least one item of error information is determined by a comparison of two first values, the two first values being relative to the spatial subdivision level of two successive hierarchies of the medium. Each is estimated.

もう１つの特徴によれば、誤差情報の少なくとも１つの項目は、２つの第２の値の比較によって決定され、２つの第２の値は、媒質の２つの連続する階層の空間細分割レベルに対してそれぞれ推定される。 According to another feature, at least one item of error information is determined by a comparison of two second values, the two second values being at a spatial subdivision level of two successive hierarchies of the medium. For each.

具体的な特徴によれば、本方法は、誤差情報をしきい値と比較するステップを含む。 According to a particular feature, the method comprises a step of comparing the error information with a threshold value.

都合の良いことに、誤差情報の少なくとも１つの項目がしきい値よりも小さい場合には、選択した空間細分割レベルは、最も高い階層の位置レベルに対応する。 Conveniently, if at least one item of error information is less than a threshold, the selected spatial subdivision level corresponds to the highest hierarchical location level.

添付した図面を参照して下記の説明を読むと、本発明がより良く理解され、他の具体的な特徴および利点が明らかになりうる。 The invention will be better understood and other specific features and advantages will become apparent when the following description is read with reference to the accompanying drawings.

本発明の特定の実施形態による、光を散乱する異種成分からなる関与媒質を図式的に示す図である。FIG. 6 schematically shows a participating medium consisting of different components that scatter light, according to a particular embodiment of the invention. 本発明の特定の実施形態による、図１の媒質の空間細分割ツリーを表示する図である。FIG. 2 is a diagram displaying a spatial subdivision tree of the medium of FIG. 1 according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、図１の媒質の空間細分割ツリーを表示する図である。FIG. 2 is a diagram displaying a spatial subdivision tree of the medium of FIG. 1 according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、光の散乱方向に応じた図１の媒質のいくつかの空間細分割レベルを示す図である。FIG. 2 shows several spatial subdivision levels of the medium of FIG. 1 as a function of light scattering direction, according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、光の散乱方向に応じた図１の媒質のいくつかの空間細分割レベルを示す図である。FIG. 2 shows several spatial subdivision levels of the medium of FIG. 1 as a function of light scattering direction, according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、光の散乱方向に応じた図１の媒質のいくつかの空間細分割レベルを示す図である。FIG. 2 shows several spatial subdivision levels of the medium of FIG. 1 as a function of light scattering direction, according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、光の散乱方向に応じた図１の媒質のいくつかの空間細分割レベルを示す図である。FIG. 2 shows several spatial subdivision levels of the medium of FIG. 1 as a function of light scattering direction, according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、光の放出方向に応じた図１の媒質のいくつかの空間細分割レベルを示す図である。FIG. 2 shows several spatial subdivision levels of the medium of FIG. 1 as a function of the direction of light emission, according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、図１の媒質によって散乱された光の量を推定するための方法を実装している装置を示す図である。FIG. 2 shows an apparatus implementing a method for estimating the amount of light scattered by the medium of FIG. 1 according to certain embodiments of the invention. 本発明の特定の実施形態による、図１の媒質によって散乱された光の量を推定するための方法を示す図である。FIG. 2 illustrates a method for estimating the amount of light scattered by the medium of FIG. 1 according to certain embodiments of the invention.

図１は、異種成分からなる関与媒質１０、例えば雲を示す。関与媒質は、光を吸収し、放出しおよび／または拡散させる浮遊状態の多数の粒子から構成される媒質である。その最も単純な形体では、関与媒質は、光、例えば太陽などの、例えば光源１１から受け取る光だけを吸収する。これは、媒質１０を通過する光が減衰することを意味し、減衰は媒質の濃度に依存する。異種成分からなる媒質は、換言すると、例えば媒質を構成する粒子の濃度などの媒質の物理的な特性が、媒質中で点ごとに変化する。関与媒質が光と相互作用する小さな粒子から構成されるので、入射光、つまり、１つの方向ω_in１１０にしたがって光源１１から受け取る光は、吸収されるだけでなく、散乱される。等方的散乱に関与媒質中では、光はすべての方向に一様に散乱される。図１に示した雲１０などの、非等方的散乱に関与媒質中では、光散乱は、入射方向ω_in１１０と光の散乱方向ω_out１２０との間の角度に依存する。散乱方向ω_out１２０において媒質１０の点Ｍ１３のところで散乱される光の量が、次の式によって計算される。 FIG. 1 shows a participating medium 10 consisting of different components, for example a cloud. A participating medium is a medium composed of a large number of suspended particles that absorb, emit and / or diffuse light. In its simplest form, the participating medium only absorbs light, for example light received from the light source 11, for example the sun. This means that light passing through the medium 10 is attenuated, and the attenuation depends on the concentration of the medium. In other words, in a medium composed of different components, the physical characteristics of the medium, such as the concentration of particles constituting the medium, change from point to point in the medium. Since the participating medium is composed of small particles that interact with light, incident light, ie light received from the light source 11 according to one direction ω _in 110, is not only absorbed but also scattered. In a medium involved in isotropic scattering, light is scattered uniformly in all directions. In a medium involved in anisotropic scattering, such as the cloud 10 shown in FIG. 1, light scattering depends on the angle between the incident direction ω _in 110 and the light scattering direction ω _out 120. The amount of light scattered at the point M13 of the medium 10 in the scattering direction ω _out 120 is calculated by the following equation.

Ｑ（Ｍ，ω_out）＝Ｄ（Ｍ）．σ_s．ｐ（Ｍ，ω_out，ω_in）．Ｌ_ri（Ｍ，ω_in）
式１
方向ω_out１２０における空間の点Ｃのところの位置にいる観察者１２の目に到達する媒質の点Ｍ１３によって散乱された光の量、換言すると、点Ｍによって散乱された光の量は、トラジェクトリＭ−Ｐ上の媒質１０によって減衰し、点Ｐは、観察者１２の方向において媒質１０と方向ω_outとの交点のところの位置にあり、そのときには、 Q (M, ω _out ) = D (M). σ _s . p (M, ω _out , ω _in ). L _ri (M, ω _in )
Formula 1
The amount of light scattered by the point M13 of the medium reaching the eyes of the observer 12 at the position of the point C in space in the direction ω _out 120, in other words, the amount of light scattered by the point M is the trajectory. It is attenuated by the medium 10 on MP, and the point P is in the position of the intersection of the medium 10 and the direction ω _out in the direction of the observer 12,

ここでは、
・σ_sは媒質の散乱係数であり、
・σ_aは媒質の吸収係数であり、
・σ_t＝σ_s＋σ_aは媒質の消衰係数であり、
・Ｄ（Ｍ）は所与の点のところの媒質の濃度であり、媒質１０が異種成分からなるので、濃度は点ごとに変化し、
・ｐ（Ｍ，ω_out，ω_in）は、入射方向ω_inから来る光が点Ｍのところで散乱方向ω_outにどれだけ散乱されるかを記述する位相関数であり、
・Ｌ_ri（Ｍ，ω_in）は、入射方向ω_in１１０から来る点Ｍのところの減少した光強度であり、線分Ｋ−Ｍ上の媒質１０中の光のトラジェクトリに起因する減衰後に、点Ｍのところに達する入射光の量を表し、Ｋは媒質１０と入射レイω_in１１０との間の交点であり、その値は次式である、 here,
Σ _s is the scattering coefficient of the medium,
・ Σ _a is the absorption coefficient of the medium,
・ Σ _t = σ _s + σ _a is the extinction coefficient of the medium,
D (M) is the density of the medium at a given point, and since the medium 10 is composed of different components, the density varies from point to point,
P (M, ω _out , ω _in ) is a phase function that describes how much light coming from the incident direction ω _in is scattered in the scattering direction ω _out at the point M;
L _ri (M, ω _in ) is the reduced light intensity at point M coming from the incident direction ω _in 110, and after attenuation due to the trajectory of light in the medium 10 on the line segment KM Represents the amount of incident light reaching point M, where K is the intersection between the medium 10 and the incident ray ω _in 110, and its value is:

は、Ｐ１５からＭ１３までの経路に沿った吸収および散乱に起因する散乱した光の減衰を表す。 Represents the attenuation of scattered light due to absorption and scattering along the path from P15 to M13.

式２は、点Ｍによって散乱され、方向ω_out上の位置にいる観察者１２の目に到達する光の量を計算することを可能にする。方向ω_outにおいて見ている観察者によって受け取られる光の量を計算するために、軸ω_out上の位置にある媒質の点のセットのすべての寄与の合計を計算しなければならず、換言すると、点が線分Ｐ−Ｍ_max上の位置にあり、ＰおよびＭ_maxは媒質１０と方向ω_out１２０との間の２つの交点である。単純な散乱に起因して方向ω_out１２０からＰ１５のところに達するこの散乱した光の総量は、次式である、 Equation 2 makes it possible to calculate the amount of light scattered by the point M and reaching the eyes of the viewer 12 at a position on the direction ω _out . In order to calculate the amount of light received by the observer looking in the direction ω _out , the sum of all contributions of the set of media points at the position on the axis ω _out must be calculated, in other words , The point is at a position on the line segment P-M _max , where P and M _max are the two intersections between the medium 10 and the direction ω _out 120. The total amount of scattered light reaching the direction P15 from the direction ω _out 120 due to simple scattering is:

ここでは、トラジェクトリＣ−Ｐをカバーする光が減衰せず、光が媒質１０の外では減衰しないものと考える。 Here, it is assumed that the light covering the trajectory CP is not attenuated and the light is not attenuated outside the medium 10.

この散乱した光の総量は、方向としてω_outを有するレイ上のＰとＭ_maxとの間の位置にあるすべての点からの寄与を積分することによって求められる。かかる積分式を、一般的には解析的に解くことができず、散乱した光の量のライブ推定の場合にはなおさらである。レイマーチングとして知られる方法を使用して、積分をディジタル的に算出する。この方法では、積分領域を、区間ごとに濃度が変化するサイズσ_Mの複数の区間へと離散化し、次式が得られる、 This total amount of scattered light is determined by integrating the contributions from all points located between P and M _max on the ray with ω _out as direction. Such an integral equation cannot generally be solved analytically, especially in the case of live estimation of the amount of scattered light. The integral is calculated digitally using a method known as ray marching. In this method, the integration region is discretized into a plurality of sections of size σ _{M in} which the concentration changes for each section, and the following expression is obtained.

同様に、異種成分からなる関与媒質１０中の光源１１からの光の減衰が、レイマーチング法の適用によって都合よく計算される。したがって、減衰した後で点Ｍのところに達する入射光の量を表す点Ｍのところの光強度の減衰Ａｔｔ_L（Ｍ）１３は、次の式によって表される、 Similarly, the attenuation of light from the light source 11 in the participating medium 10 composed of different components is conveniently calculated by application of the ray marching method. Therefore, the attenuation Att _L (M) 13 of the light intensity at the point M, which represents the amount of incident light that reaches the point M after attenuation, is expressed by the following equation:

レイマーチング法にしたがって点Ｍのところの光の減衰を推定するために、媒質１０中の光レイ１１０の入力点Ｋ１４と媒質１０の検討する点Ｍ１３との間で検討する入射方向１１０上の位置にある積分領域を、サイズσ_sの一連の区間へと離散化する。その上、濃度が、入射方向（また、光放出方向とも呼ばれる）に沿って点ごとに（すなわち、言い換えると、区間σ_sごとに）やはり変化する。下記の式が、したがって得られる、 In order to estimate the attenuation of light at the point M according to the ray marching method, the position in the incident direction 110 to be examined between the input point K14 of the light ray 110 in the medium 10 and the point M13 to be examined in the medium 10 Is discretized into a series of intervals of size σ _s . Moreover, the concentration also varies from point to point (ie, in other words, from interval σ _s ) along the direction of incidence (also referred to as the light emission direction). The following formula is thus obtained:

都合の良いことに、明確にする理由で図１では２次元で示した異種成分からなる関与媒質１０は、３次元要素である。 Conveniently, for reasons of clarity, the participating medium 10 consisting of different components shown in two dimensions in FIG. 1 is a three-dimensional element.

変形形態によれば、媒質１０は、複数の光源、例えば、１０００個、１００，０００個または１，０００，０００個の光源によって照らされ、光源は光環境を形成する。いくつかの遠隔光源からの光の推定を、当業者には知られている環境マッピング法を使用して実行する。環境マッピング法にしたがえば、光環境のすべての光源は、媒質１０の点に関して光学的に無限のところの位置にあると考えられる。したがって、媒質の検討するいかなる点であっても、取り上げた方向が同一であると考えることが可能である。媒質の異なる点を分離する距離に起因する視差効果を、したがって無視できる。この変形形態によれば、点Ｍのところの入射光の減衰を推定するために、光環境を表す入射方向のセットについて式７を用いて光の減衰を計算することが必要であり、これが計算を著しく増加させる。 According to a variant, the medium 10 is illuminated by a plurality of light sources, for example 1000, 100,000 or 1,000,000 light sources, which form a light environment. Estimation of light from several remote light sources is performed using environmental mapping methods known to those skilled in the art. According to the environment mapping method, all light sources in the light environment are considered to be in optically infinite positions with respect to the point of the medium 10. Therefore, it is possible to consider that the picked directions are the same at any point where the medium is examined. The parallax effect due to the distance separating different points of the medium can therefore be ignored. According to this variant, in order to estimate the attenuation of the incident light at point M, it is necessary to calculate the light attenuation using equation 7 for the set of incident directions representing the light environment, which is calculated Is significantly increased.

もう１つの変形形態によれば、媒質の散乱係数σ_sおよび／または媒質の吸収係数σ_aなどの媒質１０の物理的な特性は、濃度が変化するように、媒質１０中で点ごとにやはり変化する。補足的な変形形態によれば、２つの係数σ_sおよびσ_aのうちの一方だけまたは両方が媒質中で変化し、濃度は、媒質中で均質である。 According to another variant, the physical properties of the medium 10, such as the scattering coefficient σ _s of the medium and / or the absorption coefficient σ _a of the medium, are also point by point in the medium 10 such that the concentration changes. Change. According to a supplementary variant, only one or both of the two coefficients σ _s and σ _a vary in the medium and the concentration is homogeneous in the medium.

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の特定の実施形態にしたがった、表示の２つの異なるモードによる媒質１０の空間細分割ツリーを示す。 2A and 2B show a spatial subdivision tree of the medium 10 according to two different modes of display, according to a particular embodiment of the present invention.

明確化および単純化の理由で、媒質１０は、図２Ａ中の正方形または長方形などの単純な２次元の幾何学的形体２（図２Ａおよび図２Ｂの説明では媒質２と呼ばれる）によって表される。媒質２の表面は、同一のサイズのセルへと階層的に細分割されて、「クオッドトリー（ｑｕａｄｔｒｅｅ）」タイプの構造を形成する。同じセルに属する媒質２の点は、同一の物理的な特性を有し、例えば、媒質の濃度は、同じセルの媒質２の各点において同じである。物理的な特性は、都合の良いことにセルごとに変化する。変形形態によれば、媒質２のいくつかのセルの物理的な特性は、同一の物理的な特性を有し、媒質２は全体的に異種起源のままであり、換言すると、少なくとも２つのセルが異なる物理的な特性を有する。最も高い階層のレベルが、媒質２の空間細分割の第１のレベル２１を形成する単一のセル［１］によって表され、この唯一のセルが媒質２の表面と同じ表面を有する。第１のレベルの直下の階層のレベル（媒質２の空間細分割の第２のレベル２２と呼ばれる）は、セル［１］のサイズの４分の１に対応する同一のサイズの４個のセル［２］、［３］、［４］および［５］によって表される。より低い階層のレベルからなり第２のレベル２２に続く媒質２の空間細分割の第３のレベル２３は、同一のサイズの１６個のセル、例えば、セル［６］から［１７］によって表される。セル［６］から［１７］の各々のサイズは、セル［２］から［５］のサイズの４分の１に対応し、各セル［２］から［５］が、同一のサイズの４個のセルへとそれぞれ分割されている。より低い階層のレベルからなり第３のレベル２３に続く媒質２の空間細分割の第４のレベル２４は、同一のサイズの６４個のセル、例えば、セル［１８］から［２５］によって表される。セル［１８］から［２５］の各々のサイズは、セル［６］から［１７］のサイズの４分の１に対応し、第３のレベル２３の各セル［６］から［１７］が、同一のサイズの４個のセルへとそれぞれ分割されている。この構造を一般化して、レベルＸより直ぐ低い空間表示のレベルＹを形成するために、レベルＸのセルの数を４倍してレベルＹを形成するセルの数を求めることを、これは意味する。 For reasons of clarity and simplicity, medium 10 is represented by a simple two-dimensional geometric feature 2 (referred to as medium 2 in the description of FIGS. 2A and 2B), such as a square or rectangle in FIG. 2A. . The surface of the medium 2 is subdivided hierarchically into cells of the same size, forming a “quadtree” type structure. The points of the medium 2 belonging to the same cell have the same physical characteristics. For example, the concentration of the medium is the same at each point of the medium 2 of the same cell. The physical properties conveniently vary from cell to cell. According to a variant, the physical characteristics of several cells of the medium 2 have the same physical characteristics and the medium 2 remains entirely heterogeneous, in other words at least two cells Have different physical properties. The highest hierarchical level is represented by a single cell [1] that forms the first level 21 of the spatial subdivision of the medium 2, this single cell having the same surface as the surface of the medium 2. The level immediately below the first level (called the second level 22 of the spatial subdivision of the medium 2) is four cells of the same size corresponding to a quarter of the size of the cell [1]. Represented by [2], [3], [4] and [5]. The third level 23 of the spatial subdivision of the medium 2 consisting of the lower hierarchical levels and following the second level 22 is represented by 16 cells of the same size, for example cells [6] to [17]. The Each size of the cells [6] to [17] corresponds to a quarter of the size of the cells [2] to [5], and each of the cells [2] to [5] has four of the same size. Is divided into cells. The fourth level 24 of the spatial subdivision of the medium 2 consisting of the lower hierarchical levels and following the third level 23 is represented by 64 cells of the same size, for example cells [18] to [25]. The Each size of cells [18] to [25] corresponds to a quarter of the size of cells [6] to [17], and each cell [6] to [17] of the third level 23 is Each cell is divided into four cells of the same size. In order to generalize this structure and form a level Y of spatial display immediately below level X, this means that the number of cells forming level Y is determined by multiplying the number of cells of level X by four. To do.

レベルのこの階層が、空間細分割の階層のレベルがツリー構造の形体で現れる図２Ｂに関してより明確に現れ、セルがツリーのノードを形成する。媒質２の空間細分割の第１のレベル２１は、単一のセル［１］を含む。（第１のレベルよりも低い階層の位置の）媒質２の空間細分割の第２のレベル２２は、第１のレベルよりも４倍多いセル、すなわち、４個のセル［２］から［５］を含む。（第２のレベルよりも低い階層の位置の）媒質２の空間細分割の第３のレベル２３は、第２のレベルよりも４倍多いセル、すなわち、１６個のセル［６］から［１７］を含む。（第３のレベルよりも低い階層の位置の）媒質２の空間細分割の第４のレベル２４は、第３のレベルよりも４倍多いセル、すなわち、６４個のセル［１８］から［２５］を含み、セル［１８］から［２１］が、例えば第３のレベルのセル［１２］の細分割に対応し、セル［２２］から［２５］が、例えば第３のレベルのセル［１５］の細分割に対応する。媒質２の空間表示の第５のレベル（図２Ａおよび図２Ｂには図示せず）は、したがって、第４のレベルよりも４倍多いセルを含むはずであり、媒質２の空間表示の第６のレベル（図２Ａおよび図２Ｂには図示せず）は、したがって、第５のレベルよりも４倍多いセルを含むはずである、等々。 This hierarchy of levels appears more clearly with respect to FIG. 2B where the levels of the spatial subdivision hierarchy appear in the form of a tree structure, with the cells forming the nodes of the tree. The first level 21 of the spatial subdivision of the medium 2 includes a single cell [1]. The second level 22 of spatial subdivision of the medium 2 (at a lower hierarchical level than the first level) is four times more cells than the first level, ie four cells [2] to [5]. ]including. The third level 23 of the spatial subdivision of the medium 2 (at a lower hierarchical level than the second level) is four times more cells than the second level, ie 16 cells [6] to [17 ]including. The fourth level 24 of the spatial subdivision of the medium 2 (at a lower hierarchical level than the third level) is four times more cells than the third level, ie 64 cells [18] to [25]. ], Cells [18] to [21] correspond to, for example, the subdivision of the third level cell [12], and cells [22] to [25], for example, the third level cell [15] ] Is subdivided. The fifth level of the spatial representation of medium 2 (not shown in FIGS. 2A and 2B) should therefore contain four times more cells than the fourth level, and the sixth level of the spatial representation of medium 2 Level (not shown in FIGS. 2A and 2B) should therefore contain four times more cells than the fifth level, and so on.

３次元要素中の異種成分からなる媒質１０に関与するときに、媒質２は、それ自体３次元要素であり、媒質は、同一の寸法、したがって同一の体積のセルへと階層的に細分割されて、「オクトリー（ｏｃｔｒｅｅ）」タイプの構造を形成する。媒質２を形成する同一の寸法（および体積）のセルは、都合の良いことに「ボクセル（ｖｏｘｅｌ）」と呼ばれ、「ボクセル」は体積要素に対応する。３次元媒質２のケースでは、空間細分割の第１のレベル（最も高い階層の位置）は、体積が媒質２の体積に等しい単一の「ボクセル」を含む。第２の空間細分割レベルは、同一の寸法（および体積）の８個の「ボクセル」を含み、第３の空間細分割は、第２のレベルに対して８倍多い「ボクセル」、すなわち５１２個の体積を含む、等々。同じ「ボクセル」の点は、同一の物理的な特性を有し、換言すると、これらは同じ吸収係数、同じ散乱係数、および同じ濃度を有し、「ボクセル」内の体積は結果として均質である。都合の良いことに、第１の「ボクセル」に属する点の物理的な特性は、第１の「ボクセル」に隣接する「ボクセル」に属する点の物理的な特性とは異なり、例えば、第１の「ボクセル」の点は隣接する「ボクセル」の点とは異なる濃度Ｄ₁を有する。変形形態によれば、媒質２の「ボクセル」は、互いに異なる特性を有する。もう１つの変形形態によれば、媒質２のいくつかの「ボクセル」は、同一の物理的な特性を有する。媒質２を構成するいくつかの「ボクセル」が同一の物理的な特性、例えば同一の濃度Ｄ_iを有する場合でさえ、媒質２は全体としては異種起源のままである。 When involved in a medium 10 consisting of different components in a three-dimensional element, medium 2 is itself a three-dimensional element, and the medium is hierarchically subdivided into cells of the same dimensions and thus the same volume. Thus, an “octree” type structure is formed. The cells of the same dimensions (and volume) forming the medium 2 are conveniently called “voxels”, where “voxels” correspond to volume elements. In the case of the three-dimensional medium 2, the first level of spatial subdivision (the position of the highest hierarchy) contains a single “voxel” whose volume is equal to the volume of the medium 2. The second spatial subdivision level includes eight “voxels” of the same size (and volume), and the third spatial subdivision is eight times more “voxels” than the second level, ie 512. Including individual volumes, and so on. The same “voxel” points have the same physical properties, in other words they have the same absorption coefficient, the same scattering coefficient, and the same concentration, and the volume within the “voxel” is consequently homogeneous . Conveniently, the physical characteristics of the points belonging to the first “voxel” are different from the physical characteristics of the points belonging to the “voxel” adjacent to the first “voxel”, for example, the first The “voxel” point has a different density D ₁ from the adjacent “voxel” point. According to a variant, the “voxels” of the medium 2 have different characteristics. According to another variant, several “voxels” of the medium 2 have the same physical properties. Even if several “voxels” that make up the medium 2 have the same physical properties, for example the same density D _i , the medium 2 remains totally heterogeneous.

説明の残りの部分では、空間細分割要素が図中では明確化の理由のために２次元のセルによって表される場合でさえ、用語「ボクセル」を、媒質２の空間細分割要素を明示するために使用する。２次元要素に関して、セルという用語を、用語「ボクセル」で置き換え、説明した推論を、セルおよび「ボクセル」に同じように適用する。濃度値は、媒質１０を表すために媒質１０のすべての点において、当業者には知られた任意の方法にしたがって、例えば流体力学シミュレーションアプリケーションを使用してまたは媒質１０についての特定のディスプレイの効果を生み出すように誰かが望むことによって、最初に計算され、この濃度値は、ある点の初期濃度と呼ばれる。ある「ボクセル」に属する点に与えられた濃度値が、「ボクセル」を構成する点の各々から以前に計算した初期濃度の平均に対応するようにそれから計算される。例えば、単一の「ボクセル」がある空間細分割の第１のレベル（最も高い階層）に関して、「ボクセル」のすべての点に与えられる濃度値は、媒質２の初期濃度の平均値に対応する。媒質２が８個の「ボクセル」へと細分割される第２のレベルに関して、点の平均濃度は、「ボクセル」に属する点の初期濃度の平均を使用して計算され、この平均値が検討する「ボクセル」のすべての点に与えられ、操作が７個の他の「ボクセル」に対して繰り返される。同じ推論が、媒質２の空間細分割の各レベルに対して適用される。 In the rest of the description, the term “voxel” will be used to specify the spatial subdivision element of medium 2 even if the spatial subdivision element is represented in the figure by a two-dimensional cell for reasons of clarity. Use for. With respect to two-dimensional elements, the term cell is replaced with the term “voxel”, and the inferences described apply equally to cells and “voxels”. The concentration values may be expressed at any point in the medium 10 to represent the medium 10 according to any method known to those skilled in the art, for example using a hydrodynamic simulation application or for a particular display effect on the medium 10. Is calculated first by someone wanting to produce this, and this concentration value is called the initial concentration of a point. The density value given to a point belonging to a certain “voxel” is then calculated to correspond to the average of the initial density previously calculated from each of the points constituting the “voxel”. For example, for the first level (highest hierarchy) of spatial subdivision with a single “voxel”, the density value given to all points of “voxel” corresponds to the average value of the initial density of medium 2. . For the second level, where medium 2 is subdivided into 8 “voxels”, the average density of the points is calculated using the average of the initial density of the points belonging to “voxels”, and this average is considered Given to all points of the “voxel” to do, the operation is repeated for seven other “voxels”. The same reasoning applies for each level of spatial subdivision of medium 2.

「ボクセル」の点の初期濃度の平均を計算して「ボクセル」を形成するすべての点にこの平均値を与えることは、濃度推定誤差を導入することを含み、媒質２の空間細分割が粗くなるにつれて、誤差が大きくなる、換言すると、媒質２を形成する「ボクセル」の数が小さくなるにつれて、誤差が大きくなる。空間細分割の２つの階層的に連続するレベルの間の濃度推定誤差が、例えば、下記の数式を使用して計算される、 Calculating the average of the initial density of the “voxel” points and giving this average value to all the points forming the “voxel” involves introducing density estimation errors and the spatial subdivision of the medium 2 is coarse As the number of errors increases, in other words, as the number of “voxels” forming the medium 2 decreases, the error increases. The concentration estimation error between two hierarchically continuous levels of spatial subdivision is calculated using, for example, the following formula:

ここで、Ｄ_errは、より低い階層のレベル（ｎ＋１）に対して階層のレベルｎの濃度推定誤差を表し、
Ｄ_n+1,iは、階層のレベルｎの直ぐ下の階層のレベル（ｎ＋１）の「ボクセル」ｉの点の平均濃度を表し、
Ｄｎは、より低いレベル（ｎ＋１）のところで８個の「ボクセル」へと分解される空間細分割のレベルｎのノードによって表された「ボクセル」の点の平均濃度を表す。 Where D _err represents the density estimation error of level n of the hierarchy relative to level (n + 1) of the lower hierarchy,
D _{n + 1, i} represents the average density of “voxel” i points in level (n + 1) of the hierarchy immediately below level n of hierarchy,
Dn represents the average density of “voxel” points represented by level n nodes of spatial subdivision broken down into 8 “voxels” at the lower level (n + 1).

注意として、「ボクセル」を横切る光の減衰は、下記の数式によって与えられる、 Note that the attenuation of light across the “voxel” is given by

ここで、ｘ_minおよびｘ_maxは、空間細分割レベルｎの検討する「ボクセル」と光散乱方向または光放出方向の第１の交点および第２の交点にそれぞれ対応し、
Ｄは、濃度を表す。 Here, x _min and x _max correspond to the “voxel” studied at the spatial subdivision level n and the first intersection and the second intersection in the light scattering direction or the light emission direction, respectively.
D represents the concentration.

例えば、数式８によって計算される濃度誤差を検討すると、「ボクセル」中の減衰の下限および上限が、推測される、 For example, considering the density error calculated by Equation 8, the lower and upper limits of attenuation in the “voxel” are estimated,

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の特定の実施形態による、光の散乱方向に応じた図１の媒質１０のいくつかの空間細分割レベルを示す。図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の特定の実施形態による、光の１つの散乱方向ω_out１２０に沿った媒質２（単純な幾何学的形体による媒質１０を表している）の空間細分割レベルの選択のための方法をやはり図示する。 FIGS. 3A, 3B, 4A and 4B illustrate several spatial subdivision levels of the medium 10 of FIG. 1 as a function of light scattering direction, according to certain embodiments of the invention. 3A, 3B, 4A and 4B represent medium 2 (medium 10 with a simple geometric feature) along one scattering direction ω _out 120 of light, according to certain embodiments of the invention. The method for the selection of the spatial subdivision level is also illustrated.

図３Ａは、例えば、図２Ｂに示したレベル２４またはもっと低いレベルに対応する媒質２の最も低い空間細分割レベルの２次元での表示である。媒質２は、ｎ個の「ボクセル」３０００１から３０ｎにより構成される。光散乱方向ω_out１２０が横切る「ボクセル」、例えば「ボクセル」３０２２５および３００６４は、図３Ａには影付きで現れる。媒質２を横切る光の散乱ω_outを表す右の部分は、レイマーチングとして知られる方法を使用してこの散乱方向に沿った光の減衰の推定のために、ｍ個の点のセットＭ₀３１、Ｍ₁３２、Ｍ₂３３．．．Ｍ_i３４．．．Ｍ_m３５へとサンプリングされる。 FIG. 3A is a two-dimensional representation of the lowest spatial subdivision level of medium 2 corresponding to, for example, level 24 shown in FIG. 2B or a lower level. The medium 2 includes n “voxels” 30001 to 30n. The “voxels” traversed by the light scattering direction ω _out 120, for example “voxels” 30225 and 30064, appear shaded in FIG. 3A. The right part representing the light scattering ω _out across the medium 2 is a set of m points M ₀ 31 for the estimation of light attenuation along this scattering direction using a method known as ray marching. M ₁ 32, M ₂ 33. . . M _i 34. . . Sampled to M _m 35.

図３Ｂは、図３Ａに示した空間細分割レベルの階層的に直上の空間細分割レベル、例えば図２Ａがレベル２４を表す場合にはレベル２３の２次元の表示である。したがって示した媒質２は、ｐ個の「ボクセル」３００１から３０ｐを含み、図２Ｂの各「ボクセル」が図２Ａの８個の「ボクセル」の併合に対応し、これら８個の「ボクセル」は、媒質２の空間細分割レベルのツリー構造を表しているオクトリーではこれらの階層的に上方の「ボクセル」に接続される。散乱方向ω_out１２０が横切る「ボクセル」、例えば「ボクセル」３０４９および３０１６が、やはり影付きで現れる。図３Ａおよび図３Ｂに共通な要素は、同じ参照符号、例えば方向ω_out１２０のサンプリングを形成するｍ個の点のセットＭ₀３１、Ｍ₁３２、Ｍ₂３３．．．Ｍ_i３４．．．Ｍ_m３５を有する。 FIG. 3B is a two-dimensional display of a level 23 spatial subdivision level that is directly above the spatial subdivision level shown in FIG. 3A, eg, level 23 when FIG. Thus, the illustrated medium 2 includes p “voxels” 3001 to 30p, where each “voxel” in FIG. 2B corresponds to the merging of the eight “voxels” in FIG. 2A, and these eight “voxels” are In the octree representing the tree structure at the spatial subdivision level of the medium 2, these hierarchically connected “voxels” above. The “voxels” that the scattering direction ω _out 120 traverses, eg “voxels” 3049 and 3016, also appear shaded. Figure 3A and common elements in FIG. 3B, the same reference numerals, for example the direction ω set of m points to form a sampling _{_{_{out 120 M 0 31, M 1}}} 32, M 2 33. . . M _i 34. . . M _m 35.

散乱された光の量の推定の計算速度／精度間の最善の妥協点を形成する空間細分割のレベル、換言すると、散乱された光の量の推定のために引き起こされる誤差がディスプレイの観点から容認可能である（換言すると、例えば、人間の目には見えない）階層的に最も高い空間細分割のレベルを選択するために、点Ｍ₀３１を介して散乱される光の量を、図１に関して説明した方法を使用することによって、換言すると、空間細分割の最も低い階層的なレベルで、つまり、図２Ａに関して説明したレベルで、点Ｍ₀のところの入射光の減衰を計算することによって、最初に推定する。この計算した値は、散乱された光の量の第１の基準値を形成する。２番目に、点Ｍ₁３２を介して散乱された光の量を、階層的に空間細分割の最も低いレベルで（点Ｍ₁のところの入射光の減衰の計算の後で）同じ方法にしたがって計算する。点Ｍ₀のところでＭ₁およびＭ₀を介して散乱された光の総量を推定するために、Ｍ₁とＭ₀との間の光の減衰を、その後この値から計算し、減衰値は、式６および式９によれば、濃度およびしたがって横切った「ボクセル」に依存する。３番目に、点Ｍ₁３２を介して散乱された光の量を、最も低いレベルよりも階層的に直ぐ高い空間細分割のレベル、換言すると、図２Ｂに関して表されたレベルで同じ方法にしたがって計算する。次にこの値を使用して、点Ｍ₀のところでＭ₁およびＭ₀を介して散乱された光の総量を推定するために、Ｍ₁とＭ₀との間の光の減衰が計算されるが、Ｍ₀とＭ₁との間を横切る「ボクセル」が空間細分割の１つのレベルから空間細分割の階層的に２番目に高いレベルまで同じではないので、この減衰値は２番目に計算したものとは異なる。２つの連続する空間細分割について、点Ｍ₀のところで点Ｍ₁およびＭ₀を介して散乱された光の総量の値を比較することによって、媒質２の代表差にリンクした（換言すると、異なる連続した空間細分割レベルを介した）誤差を表す値が、求められる。誤差を表すこの値を、最終的にしきい値（このしきい値は、例えば人間の目には見えない許容される欠陥の代表値である）と比較する。誤差がしきい値よりも小さい場合には、計算を削減しながら、散乱された光の量の推定のためにほとんど誤差を導入しないので、最も高い空間細分割レベルが選択され、「ボクセル」がより大きなサイズのものであり、濃度がしたがって媒質２中では頻繁には変化せず、複雑さが濃度変化に直接的に依存する光の減衰の計算を削減することを、これは意味する。 The level of spatial subdivision that forms the best compromise between the calculation speed / accuracy of the estimation of the amount of scattered light, in other words, the errors caused for the estimation of the amount of scattered light are from a display point of view. In order to select the level of spatial subdivision that is acceptable (in other words, invisible to the human eye, for example), the amount of light scattered through the point M ₀ 31 By using the method described with respect to 1, in other words, calculating the attenuation of incident light at point M _{0 at} the lowest hierarchical level of spatial subdivision, ie at the level described with respect to FIG. 2A. By first estimating. This calculated value forms a first reference value for the amount of scattered light. Second, the amount of light scattered through point M ₁ 32 is hierarchically reduced (after calculation of the attenuation of incident light at point M ₁₎ at the lowest level of spatial subdivision. Therefore, calculate. In order to estimate the total amount of light scattered through M ₁ and M ₀ at point M ₀ , the light attenuation between M ₁ and M ₀ is then calculated from this value, and the attenuation value is According to Equations 6 and 9, it depends on the concentration and thus the “voxel” traversed. Third, the amount of light scattered through point M ₁ 32 is determined according to the same method at the level of spatial subdivision that is hierarchically higher than the lowest level, in other words at the level represented with respect to FIG. 2B. calculate. This value is then used to calculate the light attenuation between M ₁ and M ₀ in order to estimate the total amount of light scattered through M ₁ and M ₀ at point M _0. However, since the “voxel” that crosses between M ₀ and M ₁ is not the same from one level of spatial subdivision to the second highest level of spatial subdivision, this attenuation value is calculated second. It is different from what I did. For two successive spatial subdivision, by comparing the value of the total amount of scattered light through the point M ₁ and M ₀ at point M _0, linked to the representative difference of the medium 2 (in other words, different A value representing the error (via successive spatial subdivision levels) is determined. This value representing the error is finally compared to a threshold value, which is a representative value of an acceptable defect that is not visible to the human eye, for example. If the error is less than the threshold, the highest spatial subdivision level is selected and “voxel” is selected because it introduces little error for estimation of the amount of scattered light while reducing the computation. This means that it is of a larger size, and therefore the concentration does not change frequently in the medium 2, reducing the calculation of light attenuation whose complexity depends directly on the concentration change.

誤差がしきい値よりも大きい場合には、より高い階層のレベルが、例えば人間の目に見える大きすぎる誤差をもたらすことを、これは意味するので、最も低い、換言すると最も多い「ボクセル」を有する空間細分割レベルが選択されたことを、これは意味する。同じ計算を、その後、次の点Ｍ₂３３について実行する。点Ｍ₂を介して散乱された光の量を、最も低い空間細分割レベルについて計算し、それから、経路Ｍ₂Ｍ₀上の光減衰を計算して、最も低い空間細分割レベルについて点Ｍ₀のところでＭ₂を介して散乱された光の量を推定する。点Ｍ₀のところでＭ₂を介して散乱された光の量を比較する基準値は、方向１２０上のＭ₂から上流の位置にある点、すなわち点Ｍ₀およびＭ₁、によって散乱された光の量である。それから、点Ｍ₀のところでＭ₂を介して散乱された光の量を、階層の直ぐに高い空間細分割のレベル、すなわち図２Ｂに示されたものについて同じ方法で推定する。光のこの量を、最も低い空間細分割レベル、すなわち図２Ａのものについて点Ｍ₀およびＭ₁を介して散乱された光の量によって構成される基準とその順番になって比較する。空間細分割の２つの連続するレベルについて、Ｍ２を介して散乱された光の量をＭ０およびＭ１を介して散乱された光の量と比較することによって、２つのレベルの各々について推定した減衰差の代表となる推定誤差を決定する。この誤差がしきい値よりも小さい場合には、細分割の最も高いレベルが正しい推定のために十分であることを、これは意味する。そうでなければ、この誤差がしきい値よりも大きい場合には、細分割の最も高いレベルが不十分であり、細分割の最も細かいレベル、すなわち２つの階層のうちの最も低いレベルを保存すべきであり、同じ操作を次に点Ｍ_i３４について実行する。最も粗い細分割レベルがＭ_iにとって十分である場合には、Ｍ_mのところまで散乱方向上でＭ_iの下流の位置にある点のすべてに対して、最も粗い細分割レベルが十分である。実際に、媒質２中へとさらに進むと点を介して散乱された光の減衰が大きくなり、これらの点によって散乱される光の量が少なくなることは、Ｍ₀において散乱される光の総量に対して大きい。したがって、誤差が点Ｍ_iについて許容できる場合には、Ｍ_mに向かって下流の位置にある点Ｍ_i+1についてはなおさら許容可能である。これは図４Ｂに示され、点Ｍ０からＭ２に関して、より高い階層のレベルの次の点が選択されるにもかかわらず、最も低い階層のレベルが選択されることが理解できる。Ｍ_iに関して、最も低いレベルの直上の階層のレベルが容認可能な誤差のマージンで散乱される光の量の推定値を求めるために十分である場合には、問われる質問は、２番目に高い階層のレベルが、それ自体やはり十分であるどうかである。これが図４Ａに示されている。点Ｍ_i３４、それからＭ_i+1３６、それからＭ_i+2３７、それからＭ_i+3３８に関して、図３Ｂに表された細分割のレベルについて点Ｍ０に考えられる点を介して散乱された光の量を、これらの点のために選択した細分割のレベルを有する上流の位置にある点を介して散乱される光の量に対して比較する。それから、これらの同じ点に対して、次々に、細分割の連続するより高いレベル、例えば（レベル２３が図２Ｂに表されている場合に）レベル２２について、点Ｍ₀までこれらの点を介して散乱される光の量を、上流の点を介して点Ｍ₀のところで散乱された光の量を表している同じ基準値とそれ自体やはり比較する。２つの連続するレベル間の光の減衰差を表す誤差情報の項目を、これから推測する。この誤差がしきい値よりも大きい点について、２つのうちの最も高い細分割レベルが散乱された光の量の正しい推定のためには不十分であることを、これは意味する。ある点に関して、この誤差がしきい値よりも小さいときには、この点のところで最も高い細分割レベルが十分であり、光の減衰の推定のために必要な電力および／または計算時間の観点から費用がかからないとしてこのレベルが選択され、点ごとの濃度変化が階層的により低い細分割レベルに対するものよりも少ない。この最後の点に続く点（換言すると、誤差がしきい値よりも小さい最初の点）に関して、細分割の最も高いレベルが、やはり十分であり、細分割の階層的により高いレベルがやはり十分であるかを見出すために、および方向ω_out１２０における媒質２の限界のところの点Ｍ_m３５のところにこれが達するまで、疑問がそのときには提示される。 If the error is greater than the threshold, this means that a higher level of hierarchy results in an error that is too large for the human eye to see, for example, the lowest, in other words, the most “voxels”. This means that the spatial subdivision level that has been selected. The same calculation is then performed for the next point M ₂ 33. The amount of light scattered through point M ₂ is calculated for the lowest spatial subdivision level, and then the light attenuation on path M ₂ M ₀ is calculated to produce point M ₀ for the lowest spatial subdivision level. Now estimate the amount of light scattered through M ₂ . The reference value for comparing the amount of light scattered through M ₂ at point M ₀ is the light scattered by points on the direction 120 upstream from M ₂ , ie, points M ₀ and M ₁ . Is the amount. The amount of light scattered through M ₂ at point M _{0 is} then estimated in the same way for the level of spatial subdivision immediately above the hierarchy, ie that shown in FIG. 2B. This amount of light is compared in sequence with a reference constructed by the amount of light scattered through points M ₀ and M ₁ for the lowest spatial subdivision level, that of FIG. 2A. The estimated difference in attenuation for each of the two levels by comparing the amount of light scattered through M2 with the amount of light scattered through M0 and M1 for two successive levels of spatial subdivision. An estimation error that is representative of is determined. If this error is less than the threshold, this means that the highest level of subdivision is sufficient for correct estimation. Otherwise, if this error is greater than the threshold, the highest level of subdivision is insufficient and preserves the finest level of subdivision, ie the lowest level of the two hierarchies. The same operation is then performed for point M _i 34. If the coarsest subdivision level is sufficient for M _i , then the coarsest subdivision level is sufficient for all of the points that are downstream of M _{i in} the scattering direction up to M _m . In fact, further progressing into the medium 2 increases the attenuation of light scattered through the points, and the reduction in the amount of light scattered by these points means that the total amount of light scattered at M ₀ . Big against. Thus, if the error is acceptable for point M _i , it is even more acceptable for point M _{i + 1} located downstream to M _m . This is shown in FIG. 4B, and it can be seen that for points M0 to M2, the lowest hierarchy level is selected even though the next point of the higher hierarchy level is selected. For M _i , the question asked is the second highest if the level directly above the lowest level is sufficient to provide an estimate of the amount of light scattered with an acceptable margin of error Whether the level of the hierarchy is itself sufficient. This is shown in FIG. 4A. With respect to point M _i 34, then M _{i + 1} 36, then M _{i + 2} 37, then M _{i + 3} 38, it was scattered through the possible points at point M0 for the level of subdivision represented in FIG. 3B. The amount of light is compared against the amount of light scattered through points at upstream locations having the level of subdivision selected for these points. Then, for these same points, in turn, through these points up to point M ₀ for successive higher levels of subdivision, eg level 22 (if level 23 is represented in FIG. 2B). The amount of scattered light is again compared to the same reference value, which itself represents the amount of light scattered at point M ₀ via the upstream point. An item of error information representing a light attenuation difference between two successive levels is estimated from this. For points where this error is greater than the threshold, this means that the highest subdivision level of the two is not sufficient for a correct estimation of the amount of scattered light. In some respects, when this error is less than a threshold, the highest subdivision level at this point is sufficient and is costly in terms of the power and / or computation time required to estimate light attenuation. This level is selected as not costing, and the density change from point to point is less than for hierarchically lower subdivision levels. For the point following this last point (in other words, the first point where the error is less than the threshold), the highest level of subdivision is still sufficient, and the higher levels of subdivision are still sufficient. Questions are then presented to find _out if and until this reaches point M _m 35 at the limit of medium 2 in direction ω _out 120.

このようにして、Ｍ_m３５に向かって進んでいる方向ω_out１２０に沿って媒質２中へとさらに進むので、空間細分割のレベルが階層的により高くなる図４Ｂの表示に達する。必要とされる計算能力と散乱方向に沿って散乱された光の量の推定値の品質との間の最善の妥協点がこのようにして見出される。 In this way, it further proceeds into the medium 2 along the direction ω _out 120 proceeding towards M _m 35, thus reaching the display of FIG. 4B where the level of spatial subdivision is hierarchically higher. The best compromise between the required computational power and the quality of the estimate of the amount of light scattered along the scattering direction is thus found.

図５は、本発明の一実施形態による、入射光の方向ω_in１１０に沿った空間細分割のいくつかのレベルを有する異種成分からなる関与媒質１０の代表である媒質２を示す。図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂに関して説明してきたように、散乱方向（やはり観察方向として知られる）ω_out１２０に沿って媒質２を介して放出された光の量が、レイマーチングとして知られる方法を使用して理解される。散乱方向ω_out１２０の点、例えば点Ｍ_i３４を介して散乱された光の量を計算するために、この点Ｍ_i３４のところの入射光の減衰を、最初に推定しなければならない。点Ｍ_iのところの入射光の減衰の推定を、レイマーチング法を使用してやはり実行し、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂに関して説明したものと同じ推論を適用して、入射光方向ω_in１１０に沿った最適な空間細分割レベルを選択する。最初に、空間細分割の最も細かいレベル、換言すると、階層的に最も低いレベルを、方向ω_in１１０に沿って媒質２に適用し、方向ω_in１１０に沿った点Ｍ_iのところの光減衰を、図１に関して説明したようにレイマーチング法を使用して推定する。この減衰値は、第１の基準値を表す。それから、点Ｎ₀のところの光減衰を、空間細分割の階層的に最も低いレベルについて、それから、最も低いレベルの直ぐ上のレベルについて推定する。これらの値を、基準値と比較する、換言すると、これらの値が点Ｍ_iのところの全減衰の中で表す部分を抽出し、点Ｎ₀のところの減衰推定誤差を推測する。この誤差が第２のしきい値よりも小さい場合には、２つのうちの空間細分割の最も高いレベル（換言すると、最も少ない「ボクセル」を有するレベル）が、光減衰の良い品質推定のために十分であると考えられる。この誤差が第２のしきい値よりも大きい場合には、空間細分割の最も高いレベルが近すぎる点Ｎ₀のところの減衰の推定値をもたらすので、空間細分割の最も高いレベルは選択されない。空間細分割の最も高いレベルが、より細かな空間細分割について行った推定と比較したときに第２のしきい値よりも、この点のところの減衰（またはより具体的に、点Ｍ_iのところの全減衰に対するこの点のところの減衰部分）においてより小さな推定誤差をもたらすので、２つのうちの空間細分割の最も高いレベルが十分である点Ｎ_iのところに達するまで、同じ操作を、点Ｎ₁に関して、それからＮ₂、それからＮ_iについて引き続いて実行する。点Ｎ０からＮ２に関して、最も低いレベルの空間細分割を選択し、Ｍｉまで点Ｎｉ以降について、空間細分割のオクトリー表示のバックアップを行う階層的に連続する空間細分割の２つのレベルについて、入射光の減衰を再び推定して、空間細分割のどのレベルが、必要とされる計算の削減と第２のしきい値と比較して入射光減衰の推定値の正確さとの間の最善の妥協点を提供するかを決定する。最後に、最も細かい空間細分割レベルが入射方向Ｎ₀からＮ₂の第１の点に対して適用される瞬間が到来し、それから、階層の観点から最も低いレベルの直ぐ上の空間細分割の第２のレベルを、続く点、すなわちＮ_iおよびＮ_i+1に対して適用し、それから、第２のレベルの直ぐ上の空間細分割の第３のレベルを、点Ｍ_iまで点Ｎ_i+1に続く点に対して適用する。 FIG. 5 shows a medium 2 that is representative of a participating medium 10 consisting of heterogeneous components with several levels of spatial subdivision along the direction of incident light ω _in 110 according to one embodiment of the present invention. As described with respect to FIGS. 3A, 3B, 4A and 4B, the amount of light emitted through the medium 2 along the scattering direction (also known as the viewing direction) ω _out 120 is defined as ray marching. It is understood using known methods. In order to calculate the amount of light scattered through a point in the scattering direction ω _out 120, eg, point M _i 34, the attenuation of the incident light at this point M _i 34 must first be estimated. An estimation of the attenuation of the incident light at point M _i is also performed using the ray marching method, applying the same reasoning as described with respect to FIGS. 3A, 3B, 4A and 4B, Select the optimal spatial subdivision level along the direction ω _in 110. First, the finest level of spatial subdivision, in other words, the hierarchically lowest level, applied to the medium 2 in the direction omega _in 110, optical attenuation where the M _i points along the direction omega _in 110 Is estimated using the ray marching method as described with respect to FIG. This attenuation value represents the first reference value. Then the light attenuation at point N ₀ is estimated for the hierarchically lowest level of spatial subdivision and then for the level just above the lowest level. These values are compared with a reference value, in other words, the part that these values represent in the total attenuation at the point M _i is extracted, and the attenuation estimation error at the point N ₀ is estimated. If this error is less than the second threshold, the highest level of spatial subdivision of the two (in other words, the level with the least “voxels”) is used for quality estimation with good optical attenuation. Is considered sufficient. If this error is greater than the second threshold, the highest level of spatial subdivision is not selected because the highest level of spatial subdivision yields an estimate of attenuation at point N ₀ that is too close. . The highest level of spatial subdivision is more attenuated at this point (or more specifically, at point M _i than the second threshold when compared to the estimates made for the finer spatial subdivision. because results in smaller estimation error in the attenuation part) where the point for all attenuation at, to the highest level of spatial subdivision of the two reaches at the N _i point is sufficient, the same operation, regard the point N _1, then N _2, executes then subsequently for N _i. For points N0 to N2, the lowest level spatial subdivision is selected, and the incident light for two levels of spatially continuous spatial subdivisions that back up the octree display of spatial subdivision for points Ni and beyond up to Mi. The level of spatial subdivision is the best compromise between the reduction in computation required and the accuracy of the estimate of the incident light attenuation compared to the second threshold. Determine what to offer. Finally, the moment comes when the finest spatial subdivision level is applied to the first point in the incident direction N ₀ to N ₂ , and then the spatial subdivision of the spatial subdivision just above the lowest level from a hierarchical perspective. the second level, followed by a point, i.e. N _i and N is applied to the _{i + 1,} then, a third level of spatial subdivision just above the second level, the point N _i to the point M _i Applies to points following ₊₁ .

入射光の方向ω_in１１０に沿った空間細分割のいくつかの層の選択は、計算を最小にし、かつ入射レイω_in１１０が横切る「ボクセル」の数を最適に削減しながら（これは濃度が変化する点の数を削減することと同じであり、計算の複雑さは、点ごとの濃度変化に直接リンクする）、例えば第３のしきい値よりも小さな最小の誤差で点Ｍｉのところの光の全減衰の推定値を保存するという利点を提供する。 Selection of several layers of spatial subdivision along the direction of incident light ω _in 110 minimizes the calculation and optimally reduces the number of “voxels” traversed by the incident ray ω _in 110 (this is the concentration The computational complexity is directly linked to the density change from point to point), eg at the point Mi with a minimum error smaller than the third threshold. Offers the advantage of preserving an estimate of the total attenuation of the light.

都合の良いことに、媒質２は、１個よりも多くの光源１１によって照らされる。散乱方向ω_out１２０の各点Ｍｉは、したがって、いくつかの入射レイを受け取り、点Ｍ_iによって受け取られた光の量は、受け取られた基本の入射光の（換言すると、入射光の各レイについての）量の総和に対応する。点Ｍ_iのところの光の減衰を計算するために、上に説明した操作を入射光の各方向について繰り返す。 Conveniently, the medium 2 is illuminated by more than one light source 11. Each point Mi in the scattering direction ω _out 120 thus receives a number of incident rays, and the amount of light received by the point M _i is the amount of received basic incident light (in other words, each ray of incident light). Corresponds to the sum of the quantities. To calculate the attenuation of the light at point M _i, and repeats the operations described above for each direction of incident light.

図６は、異種成分からなる関与媒質１０によって散乱された光の量の推定のために適合し、１つまたはいくつかの画像のディスプレイ信号の生成のところの装置６のハードウェア実施形態を図式的に示す。装置６は、例えばパーソナルコンピュータＰＣ、ラップトップまたはゲーム機に対応する。 FIG. 6 is adapted for the estimation of the amount of light scattered by a participating medium 10 consisting of different components, and schematically illustrates a hardware embodiment of the device 6 for generating a display signal of one or several images. Indicate. The device 6 corresponds to, for example, a personal computer PC, a laptop, or a game machine.

装置６は、クロック信号もまた搬送し、アドレスおよびデータのバス６５によって互いに接続された下記の構成要素を含む。 The device 6 also carries a clock signal and includes the following components connected to each other by an address and data bus 65.

−マイクロプロセッサ６１（またはＣＰＵ）、
−下記を含むグラフィックスカード６２、
・いくつかのグラフィコルプロセッサユニット（ＧｒａｐｈｉｃｏｌｅＰｒｏｃｅｓｓｏｒＵｎｉｔ）（すなわちＧＰＵ）６２０、
・グラフィカルランダムアクセスメモリ（ＧＲＡＭ）６２１、
−ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）タイプの不揮発性メモリ６６、
−ランダムアクセスメモリすなわちＲＡＭ６７、
−例えば、キーボード、マウス、ウェブカメラなどの１つまたはいくつかのＩ／Ｏ（入力／出力）装置６４、および
−電源６８。 A microprocessor 61 (or CPU),
A graphics card 62, including:
A number of Graphic Processor Units (ie GPUs) 620,
Graphical random access memory (GRAM) 621
A ROM (read only memory) type nonvolatile memory 66;
A random access memory or RAM 67;
One or several I / O (input / output) devices 64, such as, for example, a keyboard, a mouse, a webcam, etc., and a power supply 68.

装置６は、グラフィックスカード６２に直接接続されたディスプレイ画面タイプのディスプレイ装置６３をやはり含み、例えばライブである、計算され、グラフィックスカード中で合成された、特に合成した画像のディスプレイを表示する。ディスプレイ装置６３をグラフィックスカード６２に接続する専用のバスの使用は、はるかに大きなデータ伝送ビットレートを有し、したがってグラフィックスカードによって合成された画像を表示するための待ち時間を短縮するという利点を提供する。変形形態によれば、ディスプレイ装置は、装置６に対して外部にあり、ディスプレイ信号を伝送するケーブルによって装置６に接続される。装置６、例えばグラフィックスカード６２は、例えばＬＣＤもしくはプラズマ画面またはビデオプロジェクタなどの外部ディスプレイ手段へディスプレイ信号を伝送するように適合した伝送または接続用の手段（図６には図示せず）を含む。 The device 6 also includes a display screen type display device 63 connected directly to the graphics card 62, for example to display a display of a particularly synthesized image that is calculated, synthesized in the graphics card, for example live. The use of a dedicated bus connecting the display device 63 to the graphics card 62 has the advantage of having a much higher data transmission bit rate and thus reducing the latency for displaying the image synthesized by the graphics card. To do. According to a variant, the display device is external to the device 6 and is connected to the device 6 by a cable for transmitting display signals. The device 6, for example a graphics card 62, includes means for transmission or connection (not shown in FIG. 6) adapted to transmit display signals to external display means such as, for example, an LCD or plasma screen or a video projector.

メモリ６２、６６および６７の説明において使用する語「レジスタ」が、述べたメモリの各々で、低容量のメモリゾーン（いくつかのバイナリデータ）ならびに大容量のメモリゾーン（全体のプログラムを記憶すること、または計算したデータを表すデータのすべてもしくは一部分を表示することを可能にする）の両方で指定することに、留意する。 The word "register" used in the description of the memories 62, 66 and 67 is a low-capacity memory zone (some binary data) as well as a large-capacity memory zone (store the entire program) in each of the mentioned memories. , Or allow all or part of the data representing the calculated data to be displayed).

スイッチを入れると、マイクロプロセッサ６１は、ＲＡＭ６７中に含まれたプログラムの命令をロードし、実行する。 When the switch is turned on, the microprocessor 61 loads and executes the instructions of the program contained in the RAM 67.

ランダムアクセスメモリ６７は、下記を特に含む、
−レジスタ６７０中では、装置６のスイッチを入れることに責任があるマイクロプロセッサ６１のオペレーティングプログラム、
−異種成分からなる関与媒質１０を表すパラメータ６７１（例えば、濃度の、光吸収係数の、光散乱係数のパラメータ）。 The random access memory 67 includes in particular:
In the register 670, the operating program of the microprocessor 61 responsible for switching on the device 6;
A parameter 671 representing the participating medium 10 composed of different components (e.g., parameters of concentration, light absorption coefficient, light scattering coefficient).

本発明に特有な方法のステップであり、以降に説明するステップを実施するアルゴリズムを、これらのステップを実施する装置６に付随するグラフィックスカード６２のメモリＧＲＡＭ６７中に記憶する。スイッチを入れ、媒質を表すパラメータ６７０が一旦ＲＡＭ６７中へとロードされると、グラフィックスカード６２のグラフィックプロセッサ６２０は、これらのパラメータをＧＲＡＭ６２１中へとロードし、例えば、ＨＬＳＬ（ＨｉｇｈＬｅｖｅｌＳｈａｄｅｒＬａｎｇｕａｇｅ）言語またはＧＬＳＬ（ＯｐｅｎＧＬＳｈａｄｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ）を使用する「シェーダ（ｓｈａｄｅｒ）」タイプのマイクロプログラムの形式でこれらのアルゴリズムの命令を実行する。 Algorithms implementing the steps described below, which are method steps specific to the present invention, are stored in the memory GRAM 67 of the graphics card 62 associated with the device 6 performing these steps. Once switched on and the parameters 670 representing the medium are loaded into the RAM 67, the graphics processor 620 of the graphics card 62 loads these parameters into the GRAM 621, eg, HLSL (High Level Shader Language) language. Or, the instructions of these algorithms are executed in the form of a “shader” type microprogram using GLSL (OpenGL Shading Language).

ランダムアクセスメモリＧＲＡＭ６２１は、特に下記を含む、
−レジスタ６２１０中には、媒質１０を表すパラメータ、
−媒質２の異なる空間細分割レベルを表す空間細分割パラメータ６２１１、
−媒質２、１０の点のセットについての光強度減衰値６２１２、
−２つの連続する階層の空間細分割レベル間の光減衰差を表す誤差情報の項目６２１３、および
−１つまたはいくつかのしきい値６２１４。 Random access memory GRAM 621 specifically includes:
In the register 6210, a parameter representing the medium 10,
A spatial subdivision parameter 6211 representing different spatial subdivision levels of the medium 2;
The light intensity attenuation value 6212 for the set of points of the medium 2, 10;
-An item of error information 6213 representing the light attenuation difference between the spatial subdivision levels of two successive hierarchies, and-one or several thresholds 6214.

変形形態によれば、ＧＲＡＭ６２１中の利用可能なメモリ記憶空間が不十分である場合には、パラメータ６２１１、値６２１２および６２１４、ならびに誤差情報の項目６２１３の記憶のために、ＲＡＭ６７の一部がＣＰＵ６１によって割り当てられる。この変形形態は、しかしながら、ＧＰＵからＧＲＡＭへおよびその逆のデータの伝送にためにグラフィックスカード中で利用可能な伝送能力に対して伝送能力が一般的に劣るバス６５を通過することによって、データを、グラフィックスカードからランダムアクセスメモリ６７へと伝送しなければならないので、ＧＰＵ中に含まれるマイクロプログラムから合成する媒質２、１０の代表値を含む画像の合成においてより大きな待ち時間を生じさせる。 According to a variant, if the available memory storage space in GRAM 621 is insufficient, a portion of RAM 67 is stored in CPU 61 for storage of parameter 6211, values 6212 and 6214, and error information item 6213. Assigned by. This variant, however, passes the data through the bus 65 which is generally inferior to the transmission capacity available in the graphics card for the transmission of data from the GPU to the GRAM and vice versa. Since the data must be transmitted from the graphics card to the random access memory 67, a larger waiting time is generated in the synthesis of the image including the representative values of the media 2 and 10 to be synthesized from the microprogram included in the GPU.

もう１つの変形形態によれば、電源６８が、装置６の外部にある。 According to another variant, the power supply 68 is external to the device 6.

図７は、本発明の第２の非限定的な特に有利な実施形態による、装置６中に実装された異種成分からなる関与媒質１０によって散乱された光の量を推定するための方法を示す。 FIG. 7 shows a method for estimating the amount of light scattered by a participating medium 10 consisting of heterogeneous components implemented in the device 6 according to a second non-limiting particularly advantageous embodiment of the invention. .

開始ステップ７０の間に、装置６の様々なパラメータを更新する。特に、異種成分からなる関与媒質１０を表すパラメータを、任意の方法で初期化する。 During the start step 70, various parameters of the device 6 are updated. In particular, a parameter representing the participating medium 10 composed of different components is initialized by an arbitrary method.

それから、ステップ７１の間に、媒質１０を表す媒質２の１つまたはいくつかの空間細分割レベルを、１つもしくはいくつかの散乱方向ω_out１２０（観察方向とも呼ばれる）に沿っておよび／または１つもしくはいくつかの入射光方向（光放出方向とも呼ばれる）ω_in１１０に沿って選択する。このまたはこれらの（１つまたは複数の）細分割レベルを、２つの階層的に連続する空間細分割レベル間で媒質２中の光の減衰の差を表す情報の１つまたはいくつかの項目にしたがって、オクトリー（または２次元媒質２に対してクォータナリ（ｑｕａｒｔｅｒｎａｒｙ）ツリー）中に階層的に順序付けられた複数の空間細分割方向２１から２４の中から選択する。１つの光散乱方向ω_outに沿って、媒質２と方向ω_outとの交点を介して散乱される光の減衰を表す値を、媒質２の最も低い階層の空間細分割レベル（換言すると、媒質の最も細かい表示レベル、つまり最も多くの数の「ボクセル」を含むレベル）について推定し、この値は基準値として働く。それから、その方向の点のセット（点のこのセットはレイマーチング法の適用のために実行した散乱方向のサンプリングに対応する）のうちの第１の点を介して散乱された光の減衰を表す第１の値を、最も低い空間細分割レベルについて推定する。それから、同じ第１の点に対して、散乱された光の減衰を表す値のもう１つの推定値を、最も低いレベルの階層的に直ぐ上の空間細分割レベルについて推定する。これら２つの第１の値を基準値と比較して、媒質と方向ω_outの交点のところの全減衰の中でこの第１の点の光の減衰の（これら２つの第１の値の各々の）部分を決定する。散乱された光の全減衰の中のこれら２つの部分を比較することによって、散乱された光の減衰の計算において最も高い空間細分割レベル（より少ない「ボクセル」を含むので２つのうちの最も粗いもの）を介して引き起こされた誤差を表す誤差情報の項目を推測することが、したがって可能である。この誤差にしたがって、第１の点についての適合した空間細分割レベル、換言すると、例えば、人間の目には見えない許容可能な誤差を引き起こすもの、を選択する。これらの操作を、観察の方向に媒質２中へと進む散乱方向の各サンプリング点について点ごとに繰り返す。所与の点に対して、２つの空間細分割のうちの最も高いレベルが十分である場合には、そのレベルが続く点のすべてに対して十分であると判断する。この所与の点から、最も低いレベルの直ぐ上のレベルに対しておよびこの後者の直ぐ上のレベルについて減衰を推定し、最も高いレベルによって引き起こされるであろう誤差を推定する。これらの操作を、媒質２の終端限に達するまで観察方向ω_outのすべてのサンプリング点について繰り返す。いくつかの空間細分割層を、媒質２を介した光散乱方向に沿って都合の良いように選択する。同じ推測を、光源から受け取った光の減衰を表す第２の値を２つの階層的に連続する細分割レベルについて推定する入射光方向のサンプリング点に対して適用して、引き起こされる誤差が容認可能であると判断される入射光方向に沿った空間細分割レベルを選択する。 Then, during step 71 one or several spatial subdivision levels of the medium 2 representing the medium 10 along one or several scattering directions ω _out 120 (also called viewing directions) and / or Select along one or several incident light directions (also called light emission directions) ω _in 110. This or these (one or more) subdivision levels can be converted into one or several items of information representing the difference in attenuation of light in the medium 2 between two hierarchically continuous spatial subdivision levels. Therefore, a selection is made from among a plurality of spatial subdivision directions 21 to 24 hierarchically ordered in the octree (or the quaternary tree for the two-dimensional medium 2). A value representing the attenuation of light scattered through the intersection of the medium 2 and the direction ω _out along one light scattering direction ω _out is expressed as a spatial subdivision level (in other words, the medium 2). The finest display level (ie, the level containing the largest number of “voxels”) and this value serves as a reference value. Then, it represents the attenuation of light scattered through the first point of the set of points in that direction (this set of points corresponds to the scattering direction sampling performed for the application of the ray marching method). A first value is estimated for the lowest spatial subdivision level. Then, for the same first point, another estimate of the value representing the attenuation of the scattered light is estimated for the spatial subdivision level immediately above the lowest level of the hierarchy. These two first values are compared with a reference value, and the total attenuation at the intersection of the medium and the direction ω _out of the attenuation of the light at this first point (each of these two first values Of) part. By comparing these two parts in the total attenuation of the scattered light, the highest spatial subdivision level (the coarsest of the two because it contains fewer “voxels”) in the calculation of the attenuation of the scattered light. It is therefore possible to infer an item of error information that represents the error caused by According to this error, select a suitable spatial subdivision level for the first point, in other words, for example, that causes an acceptable error that is not visible to the human eye. These operations are repeated point by point for each sampling point in the scattering direction that proceeds into the medium 2 in the direction of observation. If the highest level of the two spatial subdivisions is sufficient for a given point, it is determined to be sufficient for all of the points that follow that level. From this given point, the attenuation is estimated for the level just above the lowest level and for the level just above this latter, and the error that would be caused by the highest level is estimated. These operations are repeated for all sampling points in the observation direction ω _out until the end limit of the medium 2 is reached. Several spatial subdivision layers are chosen conveniently along the direction of light scattering through the medium 2. The same guess is applied to a sampling point in the direction of incident light that estimates a second value representing the attenuation of light received from the light source for two hierarchically continuous subdivision levels, and the error caused is acceptable. The spatial subdivision level along the incident light direction determined to be is selected.

変形形態によれば、図７には示していない比較ステップの間に、散乱された光の２つの第１の減衰値が計算される２つの階層的に連続する空間細分割レベルのうちの一方または他方を選択するために、散乱方向のサンプリング点を介して散乱された光を表す第１の値の比較によりもたらされる第１の誤差情報と呼ばれる誤差情報を、第１のしきい値と比較する。誤差情報の第１の項目が第１のしきい値よりも小さい場合には、第１の階層的に最も高い空間細分割レベルが選択され、これは、計算コストがより低いレベル（より低いレベルは媒質中により多くの「ボクセル」を有し、したがって媒質２の物理的な特性の、特に濃度のより大きな変動を有する）に対して発生するコストより少ないままで、最も高いレベルが、光減衰の推定の際に容認可能な誤差を結果としてもたらすことを示す。第１の誤差情報が第１のしきい値よりも大きい場合には、空間細分割の最も低い階層のレベルが選択され、これは、最も高いレベルが、光の減衰の推定の際に、例えば人間の目に見える容認できない誤差を結果としてもたらすことを示す。 According to a variant, one of two hierarchically continuous spatial subdivision levels in which two first attenuation values of scattered light are calculated during a comparison step not shown in FIG. Or, to select the other, compare error information, called first error information, resulting from a comparison of a first value representing light scattered through a sampling point in the scattering direction with a first threshold. To do. If the first item of error information is less than the first threshold, the first hierarchically highest spatial subdivision level is selected, which is the level at which the computational cost is lower (the lower level). Has more “voxels” in the medium, and therefore has the highest level of light attenuation, while remaining less than the cost incurred for the physical properties of medium 2, especially with greater variations in density We show that this results in an acceptable error in estimating. If the first error information is greater than the first threshold, the lowest hierarchical level of the spatial subdivision is selected, which is the highest level when estimating the light attenuation, for example Shows that it results in unacceptable errors visible to the human eye.

もう１つの変形形態によれば、図７には示していない比較ステップの間に、散乱した光の２つの第２の減衰値が計算される２つの階層的に連続した空間細分割レベルのうちの一方または他方を選択するために、入射光方向のサンプリング点のところで光源から受け取った光の減衰を表す第２の値の比較によりもたらされる第２の誤差情報と呼ばれる誤差情報を、第２のしきい値と比較する。誤差情報の第２の項目が第２のしきい値よりも小さい場合には、階層的に最も高い空間細分割レベルが選択され、これは、計算コストがより低いレベル（より低いレベルは媒質中により多くの「ボクセル」を有し、したがって媒質２の物理的な特性の、特に濃度のより大きな変動を有する）に対して発生するコストより少ないままで、最も高いレベルが、受け取った光減衰の推定の際に容認可能な誤差を結果としてもたらすことを示す。第２の誤差情報が第２のしきい値よりも大きい場合には、空間細分割の最も低い階層のレベルが選択され、これは、最も高いレベルが、受け取った光の減衰の推定の際に、例えば人間の目に見える容認できない誤差を結果としてもたらすことを示す。 According to another variant, of the two hierarchically continuous spatial subdivision levels in which two second attenuation values of scattered light are calculated during a comparison step not shown in FIG. Error information, referred to as second error information, resulting from a comparison of a second value representing the attenuation of light received from the light source at a sampling point in the direction of incident light, Compare with threshold. If the second item of error information is smaller than the second threshold, the highest spatial subdivision level is selected hierarchically, which is the level at which the computational cost is lower (the lower level is in the medium). The highest level of received light attenuation remains less than the cost incurred for having more “voxels” and thus having a larger variation in the physical properties of the medium 2, in particular the concentration. It shows that the estimation results in an acceptable error. If the second error information is greater than the second threshold, the lowest hierarchical level of spatial subdivision is selected, which is the highest level in estimating the received light attenuation. For example, to result in unacceptable errors visible to the human eye.

都合の良いことに、誤差情報の第１の項目および第２の項目は、異なる値を有する。変形形態によれば、誤差情報の第１の項目および第２の項目は、同じ値のものである。もう１つの変形形態によれば、誤差情報の第１の項目（それぞれ第２の項目）は、比較される空間細分割レベルにしたがって値を変える。 Conveniently, the first and second items of error information have different values. According to a variant, the first and second items of error information are of the same value. According to another variant, the first item of error information (each second item) changes its value according to the spatial subdivision level being compared.

それからステップ７２の間に、媒質２を介して散乱された光の量を、あるサンプリング方法、都合の良いことにレイマーチング法を使用して推定する。都合の良いことに、散乱方向に沿った「ボクセル」ごとにサンプリング点があるように、サンプリングを選択する。変形形態によれば、細分割レベルが細かいときにより細かくなり、細分割レベルが階層的に上昇するにつれてより粗くなるような方法で、サンプリングを選択する。もう１つの変形形態によれば、サンプリングは規則的であり、換言すると、サンプリング点が規則的に間隔を空けて配置される。この最後の変形形態は、それに加えて、濃度が同じ「ボクセル」の点ごとに変化しないので計算の観点からそれほどコストがかかることはない。 Then, during step 72, the amount of light scattered through the medium 2 is estimated using a sampling method, conveniently a ray marching method. Conveniently, sampling is selected such that there is a sampling point for each “voxel” along the scattering direction. According to a variant, sampling is selected in such a way that it becomes finer when the subdivision level is fine and becomes coarser as the subdivision level rises hierarchically. According to another variant, the sampling is regular, in other words the sampling points are regularly spaced. In addition to this, this last variant is not very costly from a computational point of view, since it does not change from point to point of the same “voxel”.

ステップ７１および７２は、観察者１２が媒質１０の周りを移動するにつれて都合の良いことに繰り返され、画像が媒質１０のディスプレイを形成し、媒質１０の周りの観察者１２の各要素の変位に対して再合成される。変形形態によれば、媒質環境の条件が変化するとき、特に（１つまたは複数の）光源が変化するときに、ステップ７１および７２を繰り返す。 Steps 71 and 72 are conveniently repeated as the viewer 12 moves around the medium 10, so that the image forms a display of the medium 10 and the displacement of each element of the viewer 12 around the medium 10. In contrast, it is synthesized again. According to a variant, steps 71 and 72 are repeated when the conditions of the medium environment change, in particular when the light source (s) change.

当然ながら、本発明は、これまでに説明した実施形態に限定されない。 Of course, the present invention is not limited to the embodiments described so far.

特に、本発明は、異種成分からなる関与媒質によって散乱される光の量を推定するための方法に限定されないだけでなく、本方法を実装する任意の装置、特に少なくとも１つのＧＰＵを含む任意の装置にやはり拡張される。散乱された光の量の入射方向および放出方向の光強度の低下の推定のために、図１から図５に関連して説明した式の実装が、シェーダタイプのマイクロプログラムにやはり限定されないだけでなく、任意のプログラムタイプ、例えばＣＰＵタイプのマイクロプロセッサ中で実行することが可能なプログラム中に実装するように拡張される。 In particular, the invention is not limited to a method for estimating the amount of light scattered by a participating medium consisting of different components, but also any device that implements the method, in particular any device comprising at least one GPU. It is also extended to the device. The implementation of the equations described in connection with FIGS. 1-5 is still not limited to shader-type microprograms for the estimation of the drop in light intensity in the incident and emission directions of the amount of scattered light. Rather, it is extended to be implemented in a program that can be executed in a microprocessor of any program type, for example a CPU type.

本発明の使用は、ライブ利用に限定されないだけでなく、例えば、シンセシス画像のディスプレイ用の、例えばレコーディングスタジオにおけるポストプロダクション処理として知られる処理のための任意の別の利用に拡張される。ポストプロダクションにおける本発明の実施は、特に、必要な計算時間を削減しつつ、現実性の観点から優れた視覚ディスプレイを実現するという利点を提供する。 The use of the present invention is not limited to live use, but extends to any other use, for example for the display of synthesis images, for example known as post-production processing in a recording studio. The implementation of the present invention in post-production offers the advantage of realizing a visual display that is excellent from a practical point of view, in particular while reducing the required computation time.

本発明は、異種成分からなる関与媒質によって散乱される光の量を計算する２次元または３次元のビデオ画像、および結果が画像のピクセル（各ピクセルが観察方向ω_outにしたがった観察方向に対応する）を表示するために使用する光を表す情報の合成のための方法にやはり関係する。画像のピクセルの各々による表示のために計算した光の値を、観察者の様々な観察点に適合するように再計算する。 The invention relates to a two-dimensional or three-dimensional video image that calculates the amount of light scattered by a participating medium of different components, and the result is an image pixel (each pixel corresponds to an observation direction according to the observation direction ω _out). It also relates to a method for the synthesis of information representing the light used to display. The light values calculated for display by each of the pixels of the image are recalculated to fit the various viewing points of the viewer.

本発明は、関与する異種成分からなる媒質を表す１つまたはいくつかの空間細分割レベルを選択するための方法にやはり関係する。 The invention also relates to a method for selecting one or several spatial subdivision levels that represent a medium of heterogeneous components involved.

本発明をビデオゲームアプリケーションにおいて、例えば、ＰＣもしくは携帯型コンピュータにおいて、またはライブで画像を生成し表示する専門化したゲーム機において実行することができるプログラムを介してであろうとなかろうと、使用することができる。図６に関して説明した装置６は、キーボードおよび／またはジョイスティックなどの対話手段、やはり可能である例えば音声認識などの命令の導入のための別のモードを都合の良いことに装備する。
（付記１）
異種成分からなる関与媒質によって散乱された光の量の推定のための方法であって、
２つの連続する階層のレベルの間で少なくとも１つの方向にしたがって、前記媒質中の前記光の減衰差を表す誤差情報の少なくとも１つの項目にしたがって空間細分割の複数の階層のレベルの中から前記媒質の空間細分割の少なくとも１つのレベルを選択するステップと、
少なくとも１つの散乱方向に沿った前記媒質のサンプリングによって散乱された前記光の量を推定するステップであって、前記サンプリングは前記少なくとも１つの選択した空間細分割レベルに依存する推定するステップと
を含むことを特徴とする方法。
（付記２）
前記少なくとも１つの散乱方向に沿った位置にある前記媒質の少なくとも１つの点によって散乱された前記光の減衰を表す少なくとも第１の値を推定するステップを含むことを特徴とする付記１に記載の方法。
（付記３）
前記少なくとも１つの散乱方向に沿った位置にある前記少なくとも１つの点内で前記光の少なくとも１つの放出方向にしたがって少なくとも１つの光源から受け取った前記光の前記減衰を表す少なくとも第２の値を推定するステップを含むことを特徴とする付記２に記載の方法。
（付記４）
誤差情報の前記少なくとも１つの項目は、２つの第１の値の比較によって決定され、前記２つの第１の値は前記媒質の２つの連続する階層の空間細分割レベルに対してそれぞれ推定されることを特徴とする付記２に記載の方法。
（付記５）
誤差情報の前記少なくとも１つの項目は、２つの第２の値の比較によって決定され、前記２つの第２の値は前記媒質の２つの連続する階層の空間細分割レベルに対してそれぞれ推定されることを特徴とする付記３に記載の方法。
（付記６）
前記誤差情報をしきい値と比較するステップを含むことを特徴とする付記１から５のいずれか一項に記載の方法。
（付記７）
誤差情報の前記少なくとも１つの項目が前記しきい値よりも小さい場合には、選択した前記空間細分割レベルは、最も高い階層の位置の前記レベルに対応することを特徴とする付記６に記載の方法。 Use of the present invention in video game applications, for example, on a PC or portable computer, or via a program that can be executed on a specialized gaming machine that generates and displays images live. Can do. The device 6 described with respect to FIG. 6 is conveniently equipped with another mode for the introduction of interactive means such as a keyboard and / or joystick, also possible instructions such as voice recognition, for example.
(Appendix 1)
A method for estimating the amount of light scattered by a participating medium comprising different components, comprising:
According to at least one item of error information representing an attenuation difference of the light in the medium according to at least one direction between two successive levels of hierarchy, from among the levels of the plurality of levels of spatial subdivision according to at least one item of error information Selecting at least one level of spatial subdivision of the medium;
Estimating the amount of light scattered by sampling the medium along at least one scattering direction, wherein the sampling depends on the at least one selected spatial subdivision level;
A method comprising the steps of:
(Appendix 2)
The method of claim 1, comprising estimating at least a first value representative of an attenuation of the light scattered by at least one point of the medium in a position along the at least one scattering direction. Method.
(Appendix 3)
Estimating at least a second value representative of the attenuation of the light received from at least one light source according to at least one emission direction of the light within the at least one point located at a position along the at least one scattering direction. The method according to claim 2, further comprising the step of:
(Appendix 4)
The at least one item of error information is determined by comparison of two first values, the two first values being estimated for spatial subdivision levels of two successive hierarchies of the medium, respectively. The method according to appendix 2, characterized by:
(Appendix 5)
The at least one item of error information is determined by a comparison of two second values, the two second values being estimated for the spatial subdivision levels of two successive layers of the medium, respectively. The method according to supplementary note 3, characterized by:
(Appendix 6)
The method according to any one of supplementary notes 1 to 5, further comprising the step of comparing the error information with a threshold value.
(Appendix 7)
The supplementary note 6, wherein if the at least one item of error information is smaller than the threshold value, the selected spatial subdivision level corresponds to the level at the position of the highest hierarchy. Method.

Claims

A method for calculating the amount of light scattered by a participating medium comprising different components, comprising:
According to at least one item of error information representing an attenuation difference of the light in the medium according to at least one direction between two successive levels of hierarchy, from among the levels of the plurality of levels of spatial subdivision according to at least one item of error information Selecting at least one level of spatial subdivision of the medium;
And calculating the amount of the scattered the light by sampling the at least one scattering direction along said medium, said sampling is dependent on the at least one selected spatial subdivision levels, and said step of calculating Said method.

The method of claim 1, comprising calculating at least a first value representative of the attenuation of the light scattered by at least one point of the medium in a position along the at least one scattering direction.

Calculating at least a second value representative of the attenuation of the light received from at least one light source according to at least one emission direction of the light within the at least one point located along the at least one scattering direction; The method of claim 2 including the step of:

The at least one item of error information is determined by comparing two first values, and the two first values are respectively calculated for the spatial subdivision levels of two successive hierarchies of the medium. The method according to claim 2.

The at least one item of error information is determined by comparing two second values, and the two second values are respectively calculated for the spatial subdivision levels of two successive layers of the medium. The method according to claim 3.

6. A method as claimed in any preceding claim, comprising comparing the error information with a threshold value.

7. The method of claim 6, wherein if the at least one item of error information is less than the threshold, the selected spatial subdivision level corresponds to the level at the highest hierarchical location.

An apparatus configured for the calculation of the amount of light scattered by a participating medium of heterogeneous components,
According to at least one item of error information representing an attenuation difference of the light in the medium according to at least one direction between two successive levels of hierarchy, from among the levels of the plurality of levels of spatial subdivision according to at least one item of error information Means for selecting at least one level of spatial subdivision of the medium;
And means for calculating the amount of the light scattered by the sample of the medium along at least one scattering directions, the sampling is dependent on the at least one selected spatial subdivision level and the calculated Said means comprising:

Comprising instructions of the program code for causing execution of the steps of the method according to any one of claims 1 to 7 on a computer when executed on a computer, program.

A readable storage device by a computer, storing instructions executable program code by the computer to perform the steps of the method according to any one of claims 1 to 7, wherein the storage apparatus.